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TRIGO-3D

posted by: Jan Thomas Lacher
Erstellt: 26 Januar 2015
Zugriffe: 7569

Bewertung: 5 / 5

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Status:
Entwickung
 
Projektkosten:
ca. 1400,-€
 
Kontakt:
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  Team:
JTL
 
Finanzierung:
privat
 
Zeitraum:
ca. 14 Monate
 
Projektsponsoren:
IGUS

 

 

 

 

 

Der TRIGO-3D Kunststoffdrucker soll ein weiterer Deltabot im FDM-Verfahren werden. Es ist ein privat finanziertes Projekt, welches hauptsächlich im FabLab Bayreuth ausgearbeitet wird.
Mit den Abmaßen von 520 x 455 x 1300mm soll ein Druckvolumen von 220 x 220 x 750mm ermöglicht werden. Der Grundaufbau besteht aus sechs Aluminiumprofilen der Firma ITEM, die durch zwei Grundplatten im Winkel gehalten werden.

TRIGO-3D TRIGO-3D Jan arbeitet an den Profilen

 

 

TRIGO 3D ProjektskizzeTRIGO 3D Projektbild

Projektbeschreibung - Was wird der TRIGO 3D?

Der TRIGO-3D Kunststoffdrucker soll ein weiterer Deltabot im FDM-Verfahren werden. Es ist ein privat finanziertes Projekt, welches hauptsächlich im FabLab Bayreuth ausgearbeitet wird.

Mit den Abmaßen von 520 x 455 x 1300mm soll ein Druckvolumen von 220 x 220 x 750mm ermöglicht werden. Der Grundaufbau besteht aus sechs Aluminiumprofilen der Firma ITEM, die durch zwei Grundplatten im Winkel gehalten werden.
Zwei bis maximal drei Hot-Ends sollen einen Druck als zukünftigen Multiextruder mit verschiedenen Farben oder löslichen Stützmaterialien ermöglichen. Die Materialzufuhr soll über fix installierte Extrudern durch einen PTFE-Schlauch (Bouden) erfolgen.
Die Steuerung ist vorerst über ein RepRap RAMPS 1.4 Board mit Arduino Mega Controller und Pololu Shields geplant, später möchte ich leistungsstärkere Plattformen testen.

Die Idee zum TRIGO-3D Projekt ist im Mai 2014 im FabLab Bayreuth entstanden und das große Vorbild hierzu ist der bekannte Delta-Tower von HypeCask.
Es hatte mich gereizt einen ähnlichen Drucker für meine Hobbyzwecke selber zu konstruieren und einige für FabLaber leichtere Herstellungsverfahren zu berücksichtigen.
Der Delta-Tower ist nicht nur ein großes Vorbild, er ist auch sehr präzise und stabil gearbeitet. Dieses erklärt auch die vielen aufwendigen Frästeile. Da die Fräsen im FabLab für größere Aluminiumteile ungeeignet sind und mir die Genauigkeiten noch nicht bekannt waren, habe ich eine externe Bearbeitung eingeplant.

TRIGO 3D Solid Edge Konstruktion
 

Die Planung in CAD:

Die Konstruktion mit Solid Edge der Einzelteile wurde erst in der Baugruppenkonstruktion richtig spannend. So konnten viele Ideen virtuell ausprobiert werden, bevor es in die aufwendige Fertigung ging.
Sicher wird das aber die Prototypenphase mit der nötigen Erfahrungs-Sammlung nicht ganz ersetzen können.

TRIGO Elektronik


Fast die gesammte Elektronik findet unter der Bodenplatte Platz, das Netzteil Meanwell SP-320-12, sowie das RAMPS Board und die Antriebe, drei NEMA17 Schrittmotoren.

TRIGO 3D Z-Wagen


Die Z-Wagen verbinden die Antriebsriemen mit den Gelenkarmen zum Tripod und liegen auf der Liniearführung auf. Die Riemenklemmung sind zwei Baugleiche Kunststoffschalen, die bereits in PLA gedruckt sind. Gleichzeitig sind die Befestigungen für die Gebermagnete der Home-Sensoren mit eingeplant.

TRIGO 3D Riehmenspanner

Die GT2-Riemen werden über die Kugelgelagerten Umlenkrollen zur oberen Platte gespannt. Ob die Spannung dynamisch über Federn zu halten ist oder ob sich diese zu dynamisch auf die Beschleunigung negativ auswirkt muss noch erprobt werden. Notfalls könnn die Federn ausgebaut und dei Riemen fest gespannt werden.

TRIGO 3D Gehäuse Magnetfeldsensor


Als Z-Home-Sensoren möchte ich einstellbare Hallsensoren aus China verwenden, mit denen ich gute Erfahrungen gemacht habe. Die Wiederholgenauigkeit und Stabilität ist durch den LM393 Spannungskomparator sehr gut.
http://www.buyincoins.com/item/43748.html#.VLmNiXuhmHc  
Was fehlt sind passende Gehäuse, aber dafür gibt es ja eine eigene Konstruktion und 3D-Drucker. :-)

TRIGO 3D Full Graphic Smart Controller


Der Full-Graphic-Smart-Controller ist eingetroffen und hat zu den RepRap CAD Daten leichte Maßabweichungen. Zum Glück kann ich das in dem Design des Frontblechs noch berücksichtigen. Dieses soll als 3mm Edelstahl Blechbiegeteil zunächst noch gelasert werden.
Der Haupt- und Lichtschalter sowie ein Not-Stop-Schalter finden ebenfalls auf dem Steuerblech Platz.

 TRIGO 3D Druckbett


Das Druckbett wird vorerst ein standard RepRap 210 x 210mm werden, später möchte ich selber ein rundes größeres Druckbett auf einer 2mm Kohlefaserplatte aufbauen.
Die klaren Trägerplatten aus PMMA (Acrylglas) und die Isolationsplatte aus Hartschaum sind gelasert, bzw. ausgefräst. Für die effektvolle Anzeige der Heizzeiten sollen einige rote Leuchtdioden unter dem Druckbett durch die Plexiglasscheiben scheinen.

TRIGO 3D Prind Head


Als Druckköpfe habe ich zwei Nachbauten der E3D V6 Full-Metal-Hotends aufgebaut, eine zusätzliche 2 Watt LED Beleuchtung soll die Beobachtung des Druckes erleichtern. Eine weitere Beleuchtung für den gesamten Drucktisch ist in der oberen Platte eingeplant.


Die Maß und Winkel gebenden Teile, die Grundplatten und einige Funktionsteile betreffen, sollten gelasert werden. Leider habe ich als Elektrotechniker nicht bedacht, dass die angestrebte Materialstärke der Aluminiumbleche von mindestens 8mm, besser 10mm, kaum durch im Umkreis verfügbare metallverarbeitende Firmen zu bearbeiten sind. Materialstärken über 3mm sind problematisch.
Ich musste lernen, dass auch der Wasserstrahlschnitt nicht das Allheilmittel einer direkten Passung sein kann und Nacharbeiten nötig sind. Aber das Lernen in einer solchen Konstruktion und Herstellung einer kleinen Maschine ist auch ein wesentlicher Punkt, der Spaß macht!

 

Aus dem Virtuellen in die Praxis:

Die Gelenkarme und die Aluminiumprofile wurden im FabLab manuell vorbereitet, hier bin ich beim Gewinde schneiden. Leider passen die längeren Profilstücke nicht in die neue Standbohrmaschine mit der tollen Gewindeschneidfunktion, so dreh ich ein wenig manuell.

TRIGO 3D Arbeiten an den Profilen


Möglichst viele Funktionsteile sollen in 2D geschnitten werden, so sind nur noch die Passungen und die seitlichen Bohrungen nachzuarbeiten.
Die ersten Teile sind durch den Wasserstrahlschnitt aus dem 8mm Aluminium geschnitten worden und werden noch nachberabeitet.

Hier sieht man die Riemenspanner, Motorblöcke und Z-Wagen nach dem Wasserstrahlschnitt:

Schnitt-Teile aus 8mm Aluminium

Leider sind nicht alle Konturen korrekt bearbeitet worden, hier gilt es noch in Erfahrung zu bringen, ob es an der DXF Datei lag und was falsch gelaufen ist. [Nachtrag] Bei der Vorverarbeitung konnten nicht alle Vektoren gleichzeitig verarbeitet werden, so wurden einige Konturen in den drei Schritten übersehen und nicht geschnitten. 

Passungen müssen aufgebohrt und viele Gewindebohrungen müssen eingebracht werden. Leider fehlen in der unteren Platte zwei Durchbrüche, die nicht bearbeitet wurden, so muss ich noch mal auf die Fräse.

TRIGO 3D Wasserschnitt Teile

Als Linearlagerung der drei Z-Achsen möchte ich leichte und schmierfreie Gleitlager verwenden.
In die nähere Auswahl kommen die 40mm breiten Schienen der DryLin® NK Linie der Firma IGUS.
Nicht nur die Maße passen zu dem sonstigen Profilaufbau des TRIGO-3Ds, auch die technischen Daten überzeugen hier und machen Mut von bekannten Wellenrollenlagerungen Abstand zu nehmen.
IGUS bietet hier leicht zu konfigurierende Komplettsysteme an, als Zubehör sind auch die Abschlusskappen verfügbar.

3 Stück NK-02-40-1, 900 IGUS DryLin® NK – komplettes System
6 Stück NSK-40 IGUS DryLin® N, Endkappen

Alternativ ist im Design vorgesehen klassische 10mm Wellenrollenlager neben den Aluminiumprofilen einzusetzen. Alle Bohrungen für die Wellenböcke und die Z-Wagen sind bereits eingeplant.

Auch bin ich unter den Produkten der Firma IGUS auf Gelenkköpfe getroffen, die auch aus speziell reibungsarmen Kunstoffen hergestellt werden.
Da ich die Gelenkarme bereits aus 8-6er Aluminiumrohren und Kugelgelenkköpfen aus dem Modellbau hergestellt habe, wird das auch eine Option für weitere Tests der Igubal-Materialien für die Zukunft.
Interessant sind hier die kleinsten Gelenkköpfe mit M3 Innengewinde und Kugelbohrung. Außengewinde mit M3 habe ich im Katalog nicht finden können.
 
12 Stück KBRM-03, IGUS igubal® Gelenkköpfe, Maßreihe K, Gehäuse B, metrisch, Rechtsgewinde

Inzwischen sind die Führungen der Firma IGUS eingetroffen. Der Aufbau kann nun nach der Bearbeitung der Schnittteile beginnen. 

Die ersten Teile wie die Grundplatte und die obere Platte wurden nachbearbeitet. An dieser Stelle ein großes Danke an meinen Kollegen Thomas, der mit seiner selbst umgerüsteten CNC Fräse aushelfen konnte. Nun sind auch die nicht geschnittenen Konturen und die nötigen Querbohrungen bearbeitet. Für die Positionierung und Spannung zum Bohren der im Design stark verundeten Z-Wagenplatte musste ich noch eine Zentrierhilfe aus Kunststoff drucken. Wieder etwas gelernt, Kanten können helfen! :-)

Kurz stand noch die Überlegung im Raum die Aluminiumteile eloxieren zu lassen oder dieses selber anzugehen. Als eigenes Projekt mit ein wenig Erfahrung sicher vorstellbar aber zeitlich aktuell nicht zu realisieren, habe ich die Idee zunächst verworfen. Der erste TRIGO 3D wird somit ein Prototyp bleiben und im unbearbeiteten Aluminium danach aussehen.

Der Aufbau des Grundrahmens ließ sich in 20 Minuten zusammen bauen, schön, wenn alles wie geplant passt.

 

Das Druckbett:

Das geheizte Druckbett besteht aus zwei 5mm Acyl-Platten, einer Isolation-Platte, der Heizleiterplatte und einer aufgeklemmten Glasplatte als Druckbett. Dank der Möglichkeit die Z-Ebene durch die Z-Probe über die Repetier Marlin Software leveln zu können, werden keine Schrauben unter dem Druckbett benötigt.

Die Acryl-Platten dienen als Abstandshalter um die Klemmen anbringen zu können und wurden von mir im FabLab BT ausgelasert. Hier gibt es zwei Ausschnitte, die dazu dienen 8 roten LEDs inklusive einer Verdrahtung unter der Isolationsplatte Platz zu geben. So soll nachher die aktive Heizung direkt angezeigt werden.

Die Isolationsplatte aus PE-Schaum ließ sich hingegen nur auf der CNC-Fräse bearbeiten und dient der thermischen Isolation der Heizleiterplatte.

Die Heizung selber kommt aus China und wird mit den drei Platten auf die Grundplatte geschraubt. Darauf fest geklemmt liegt die Float-Glasplatte, die ebenfalls 5mm stark ist.

In der Mitte ist noch ein Thermistor eingesetzt, der neben einer Kabelklemmung direkt verschraubt wurde und so direkt in der Mitte der Heizplatte liegt.

 

Das Netzteil:

Das Netzteil ist mit Abstandshaltern an der Grundplatte befestigt, natürlich aufrecht um die warme Luft nach außen zu bringen. Ein Netzeingangsfilter und ein Solid State Relais für die Motorstrom-Abschaltung wird neben dem Netzteil ebenfalls unter der Grundplatte montiert.

 

Design über alles? Nein!

Um die Z-Wagen für die seitlichen Bohrungen spannen zu können musste ich erst eine negative Passform als Hilfsmittel konstruieren.  So ließen sich diese dann gut positionieren und bohren. Zu viel Design und runde Kanten machen einem so dann doch das Leben schwer....

Die Z-Wagen mit den Riemenklemmen sind noch ohne Zahnriemen aufgebaut. Dazu fehlen noch die Riemenspanner und die Motorblöcke.

Die Triangel für die beiden Druckköpfe mit den montierten Gelenkstangen sieht schon mal ganz brauchbar aus.

Leider muss ich einen Designfehler korrigieren, da der Abstand zwischen den Kugelbuchsen der Kugelgelenke sehr eng bemessen ist. Die Kugelgelenke passen gerade noch so in die Kugelbuchsen, ohne dass sie sich berühren. Im neuen Design werde ich die Schenkel mit den M3 Bohrungen für die Gelenkstangen jeweils 6 mm weiter raus ziehen.

 

Die Riemenspanner:

Die Riemenspanner montiert mit selbst konstruierten und in PLA gedruckten Zahnriemenrädern, die mit Kugellagern jeweils auf einer 4mm Welle laufen. Die Riemenspanner werden durch zwei Federn gespannt, die jedoch nach dem Spannen nicht mehr wirken sollen.

Eine zusätzliche Riemendynamik ist unerwünscht.

 

Befestigungen unter der Grundplatte:

Auch musste ich noch ein paar Gewindebohrungen in der Grundplatte nachrüsten, diese sind zur Befestigung des Solid State Relais um die Motorspannung schalten zu können und für den EMV-Eingangsfilter.

Die selbst konstruierte Halterung für das RAMPS-Board macht einen guten Eindruck und sollte ausreichend sein. Der 80er Axial-Lüfter ist im Gehäuseblech geplant, für die ersten Tests ohne Gehäuse werde ich einen kleinen 60er Lüfter aufklemmen. Zunächste fehlen aber noch die Pololu-Schrittmotor-Treiber.

 

Die Gehäuseplanung:

So steht der TRIGO 3D nun wieder ohne Bedienblech im Lab und ich hoffe in den nächsten zwei Wochen noch Zeit zu finden um daran weiter arbeiten zu können. Für die Lüfter und den Schutz der Elektronik, sowie des Nutzers vor den nicht doppelt isolierten Spannungsführenden Teilen, soll im Endausbau ein Gehäuse aus weiteren 8 Blechteilen angebaut werden.TRIGO 3D GehäuseTRIGO 3D Bodenansicht

Ausbrüche für die RAMPS-Lüfter bzw. den Luftauslass des Netzteiles, sowie den Kaltgeräte- und XLR-USB Anschluss und den SD-Karteneinschub sind bereits eingeplant. Auch eine gute Erfahrung sogenannte "Sheet-Metal-Parts" in Solid Edge zu konstruieren und daraus die Zeichnungen auszuleiten.

TRIGO 3D RAMPS Kühlung

Die Blechbiegeteile sollen zunächst aus 1mm starkem Edelstahlblech ausgelasert werden und dann abgekantet werden. Die Tele werden gegeneinander verschraubt und geben der Konstruktion die nötige Steifigkeit. Tragende Teile werden hier auch die Aluminiumprofile und die Grundplatte.

TRIGO 3D Luftauslass Netzteil

 

Der aktuelle Montagestand:

 

Die Bedienelemente auf der Frontplatte:

Auf der Frontplatte sollen die Hauptschalter für die Netzspannung, sowie der Beleuchtung, ein Notstop-Taster, das Full-Grafic-Display, ein Jogdial-Wheel und ein Schlüsselschalter Platz finden. Neben den Durchbrüchen habe ich auch das Design, bzw. die Beschriftung festgelegt und in Corel Draw nach einem Zeichnungsimport der Grundmaße erstellt.

Planung des Frontplatten Design

Die Frontplatte muss noch mal gebohrt, gesenkt und geschliffen bzw. polliert werden, jedoch passt so schon mal alles zur Probe.

Nach einer gründlichen Reinigung konnte ich mit dem Markierspray MarkEdge 114 die Beschriftung auf die geschliffene V2A Oberfläche lasern und die Bedienelemente einsetzen. Bis auf den billigen und nicht nach der Zeichnung gearbeiteten Schlüsselschalter aus China passte alles direkt.

fertige Frontplatte TRIGO 3D

Das sehr flache Jog-Dial-Wheel passt gut und lässt sich sehr gut bedienen. Die Z-Richtungen, die ich abseits der bisher in der Repetier Firmware genutzen Richtungen verwenden möchte, ist extra neben dem Display gekennzeichnet. Mir ist bewust, dass ich dafür die Marlin Firmware umschreiben muss, jedoch haben mich die Richtungen bei der Bedienung des Delta-Towers immer irritiert und zu einer einer Änderung und Kennzeichnung bewogen. Logisch ist für mich die Drehbewegung im Uhrzeiger als runter und die Drehrichtung gegen den Uhrzeiger als rauf zu nutzen. Mir logisch, jedoch vielleicht doch nicht die Norm? Gibt es eine? ;-) 

Es feht noch der gelbe Not-Stop Aufkleber unter dem Taster, dieser ist beim großen C bestellt und lässt auf sich warten. Aber das ist schnell demontiert und später angebracht.

Bedienung TRIGO 3D

 

Die Schrittmotoren und Riemenantriebe sind montiert:

Über drei gebogene Haltebleche sind die NEMA17 Schrittmotoren von unten an der Grundplatte montiert. Die drei Riemenantriebe der Z-Achsen sind über die Riemenspanner an der oberen Grundplatte montiert und gespannt. An den Z-Wagen halten die selbst konstruierten und in PLA gedruckten Riemenklemmungen die beiden Riemenenden zusammen.

 

Die Abdeckprofile, die auch als Schutz der Leitungen am Aluminiumprofil benötigt werden sind abgelängt und eingebaut.

 

Die Sensorgehäuse für die drei Homesensoren (Magnetfeldsensoren) sind Ausgedruckt und an den ausgemessenen Profilen montiert.

 

Die zuschaltbare Beleuchtung für den Drucktisch ist auf dem Top-Blech montiert, Um den Drucker nicht noch größer werden zu lassen, habe ich für die Lanpenfassung den Raum unterhalb des oberen Grundbleches genutzt und als Distanzhalter eine Halterung designt. Die wurde auf einem Ultimaker II gedruckt. Luftschlitze sorgen für die nötige Kühlung der LED-Beleuchtung.

Beleuchtung


Die Verkabelung der RAMPS 1.4 Steuerung mit der Bedieneinheit, den Motoren, Sensoren sowie die Spannungsversorgung über den Notstopp-Kreis nimmt Form an. Alle Adern werden mit Adernendhülsen, Pfostensteckern bzw. isolierten Flachsteckern gecrimpt. Dünnere Leitungen ohne Mantel bekommen einen Spiralschlauch zum Schutz spendiert.

Verkabelung

Das Anschlussblech, als Zwischenlösung bis zur Fertigstellung des vollen Gehäuses, trägt den Netzanschluss mit Sicherungen als Kaltgeräte-Einbaustecker, den USB-Gerätestecker Typ A und einen RS45 LAN Anschluss. Der USB Anschluss ist intern am Arduino Board angeschlossen. Der Netzwerkanschluss kann zukünftig einen internen Raspberry Pi II als Octoprint Server mit der Außenwelt verbinden.

Einige Verkleidungsteile für den Antrieb sind gedruck und eingebaut, die letzten Leitungen zum Druckkopf sind mit dem Bowden in den ersten Spiralschlauch eingezogen. Die Temperatursensoren sowie der 40x40mm Axial-Lüfter für das Hotend angeschlossen. Die Filamentkühlung für Überhänge muss ich noch im 3D Modell konstruieren, dazu wird ein weiterer Lüfter zum Einsatz kommen.

Die Druckkopfbeleuchtung wird noch eingebaut...fast zu warm um noch zu arbeiten...

Nun liegt Spannung an und die Firmware kann kommen...

Nach der Konfiguration der Elektronik, der Sensoren, der Antriebe und Druckmaße im online Repetier-Configurator bewegt sich der TRIGO 3D nun wirklich selber. Tolles Tool um eine bequeme Konfiguration der Repetier Firmware zu ermöglichen. Danke Roland und an der Stelle ein Gruß in die alte Heimat nach Willich. Die Heizungen wurden mittels externem Thermometer kalibriert und funktionieren stabil. Der Homing Prozess funktioniert einwandfrei. Ein kleiner Fehler in meinen Berechnungen der Armlänge aus dem CAD zeigt in dem realen Verhalten eine konvexe Z-Ebene. Erneutes Nachmessen wird mit den korrekten Werten Abhilfe schaffen. Zuvor werde ich die Motorströme noch einstellen, für den kurzen Test haben mir die Potistellungen mit 1/3 des maximalen Motorstromes ausgereicht.

 

Die Konstruktion der eigenen Filamentantriebe geht weiter, die ersten Teile sind bestellt. Aktuell fehlen mir noch die Möglichkeiten die Drehteile zu fertigen. Fall jemand der Leser hierbei helfen kann, so würde ich mich sehr freuen.

Im aktuellen Design soll die Klemmvorrichtung über einen federnd gelagerten Kniehebelspanner von De-Sta-Co realisiert werden, den es günstig als fast "Normteil" im Katalog zu bestellen gibt. Alle weiteren Teile sind einer eigenen Konstruktion entsprungen, Vorbild war hier auch der Antrieb vom Delta-Tower, der sehr stabil läuft und mit sehr vielen Materialien gute Ergebnisse zeigt.

 

Software Konfiguration:

Die Konfiguration der Repetier Firmware hat lange Zeit Fragen aufgeworfen, die Z-Ebene wurde vom Drucker in einer konvexen Fläche angefahren. Was sich zunächst vermeintlich nicht erklären ließ war nur ein Fehler in der Verwendung der EEPROM Nutzung. Viele Versuche brachten keinen Erfolg, da die neuen Werte vom EEPROM immer wieder überschrieben wurden, so keine Verbesserung erzielt werden konnte. Durch einen guten Hinweis eines Freundes und die Nutzung des Repetier Host zum Auslesen des EEPROMs brachte mich auf die richtige Spur. Nun ist das EEPROM zunächst deaktiviert und alle Maschinenwerte werden aus der Configuration.h direkt in der Firmware als Default-Wert mitgebracht. Später werde ich mich noch mit der EEPROM Funktion beschäftigen und diese wieder nutzen.

Die Auswahl des richtigen PTC Typen für die Regelung der Druckbett-Heizung sowie des Hotends fiel mir schwer, da ich die Sensoren ohne Angaben aus China bezogen hatte. So konnte ich den Typ nur durch einige Konfigurationen und Mehrpunktmessungen zum Vergleich der Linearitäten ermitteln. Die Messergebnisse der nicht kalibrierten Messgeräte liegen nun innerhalb von einer maximalen Abweichung von -2,5%. Eigentlich sehr schlecht, jedoch sind diese für die Regelung ausreichend genau. Zudem gehe ich davon aus, dass die Lage der externen Messsonden auch einen geringeren Anzeigewert zur Folge hat.

 

Der erste Druck:

Ein Würfel 15 x 15 mm, der erste PLA-Druck auf Blue-Tape, funktionierte im zweiten Anlauf sehr gut. Anfangs machte der E3D V5 Nachbau mit der 0,4 mm Düse noch Probleme. Das erste Stück Filament verstopfte, der Filamentvortrieb verlor Schritte. Ein kleiner Umbau mit einer nicht so massiven Düse und die Verlegung der Schmelzzone im Hotend sowie der Kühlung brachte den Erfolg. Für den ersten Druck ohne große Optimierung der Drucker-Parameter kann sich das Ergebnis sehen lassen.

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